水文用聲學多普勒剖面流速儀的計量檢定.docx

1、水文用聲學多普勒剖面流速儀的計量檢定姚永熙(南京水利水文自動化研究所，江蘇南京210012)【摘要】聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)已在水文測驗中推廣應用，但ADCP的檢定校準問題沒有解決。在現(xiàn)有的流速儀檢定水槽中，ADCP不能測得可靠的流速參數(shù)。本文說明了ADCP流速參數(shù)檢定校準需要的必要條件，以及國內(nèi)為檢定ADCP應做的工作。提出了對現(xiàn)有流速儀檢定水槽的改造建議，以探討利用現(xiàn)有流速儀檢定水槽檢定校準ADCP流速參數(shù)的可能性?！娟P鍵詞】水文測驗；聲學多普勒流速剖面儀；檢定【中圖分類號】TB9【文獻標識碼】B【文章編號】1008-1305(2008)02-0008031問題的提出本文的內(nèi)容主要

2、適用于水文測驗中應用的聲學多普勒剖面流速儀(ADCP或ADP等)，以下簡稱“ADCP”。1.1 ADCP工作原理簡介(1) 測速原理。振源發(fā)射的超聲波遇到物體后發(fā)生反射，如果振源與物體之間有相對運動，振源接收到的反射波頻率將發(fā)生變化。這種由于振源和反射物體之間的相對運動而產(chǎn)生的接收信號頻率相對于振源發(fā)射頻率的頻移現(xiàn)象被稱為多普勒效應。測出此頻移就能測出物體的運動速度。在測雖時，由測最儀器發(fā)出輻射波束，再接收被測物體的反射波，測出頻移，算出速度。在實際使用時，將水中的懸浮物或小氣泡作為反射體，測得其運動速度，也就認為測得了流速。ADCP從發(fā)射聲波脈沖開始，經(jīng)不同時間接收到的反射波是相應不同距離處

3、測點的反射。它們的多普勒頻移代表聲束上各測點的流速，由此測得流速分布。(2) 流量測量原理。ADCP在測速的同時測量水流斷面或應用已有斷面數(shù)據(jù)，按流速面積法原理計算流量。1.2 ADCP在水文測驗中的應用上世紀九十年代初水文測驗開始引進美國的走航式ADCP,在長江口應用。由于應用效果較好，隨著經(jīng)濟、技術力最的增強，以及水文測驗工作的需要，本世紀以來，引進數(shù)量激增，應用范圍已遍及全國。在應用中，水文系統(tǒng)進行了全面的試驗，雖然也發(fā)現(xiàn)了應用中ADCP可能存在的問題，但總的講，在適用的范圍內(nèi)，ADCP自動測流的先進性明顯，是一種值得在一定范圍內(nèi)推廣的測流儀器。目前在很多水文站點的流域測驗中，ADCP已

4、成為不可缺少的先進儀器。1.3對ADCP進行計檢定和比測的必要性盡管ADCP的制造商已在儀器的技術材料上說明了儀器的各種技術數(shù)據(jù)，也包括了各測量參數(shù)的測信準確性。但基于以下原因，仍應該對ADCP的各測量參數(shù)進行計量檢定和比測。(1) 水文測驗上的要求。各種水文測驗規(guī)范都要求在使用新方法、新設備對水文參數(shù)進行測量時，必須經(jīng)過充分的比測。需要證明使用新方法、新設備測得的水文參數(shù)數(shù)據(jù)是準確的，并經(jīng)批準后,方可正式使用這種新方法，新設備。而其中重要的一點就是使用新設備和原來的使用設備進行比測。(2) 實際試用結(jié)果的需要。走航式ADCP能直接得到流量數(shù)據(jù)，在實際試用中和常規(guī)的流速儀面積法測得的結(jié)果，并不

5、完全相符，會出現(xiàn)不同的作者簡介：姚永熙(1946年-),男，教授級高級工程師。系統(tǒng)誤差。使用固定式ADCP（主要是水平ADCP）時，還可以和轉(zhuǎn)子式流速儀進行定點流速比測，比測結(jié)果也常會出現(xiàn)系統(tǒng)誤差。重要的是這些比測不能說明ADCP的儀器性能，要進行正規(guī)的計量檢定才能真正說明ADCP的參數(shù)測量性能。（3）計量上的要求。ADCP測景流速、流量，可以被認為是計僅儀器，水量計量:的重要性也日益被各方面重視。而計最儀器必須按經(jīng)批準的計量規(guī)程進行計量檢定后才能正式使用。這就更提高了對ADCP進行計量:檢定的必要性。實際上，由于不能準確地確定ADCP的測量準確性，也影響了ADCP的推廣應用。使用單位已強烈要

6、求解決ADCP的計量檢定問題。2ADCP計量檢定和比測的現(xiàn)狀目前沒有適用的計量檢定設備，也沒有相應的計信檢定規(guī)程，國內(nèi)也沒有進行過ADCP的計量檢定。2.1 ADCP的計量檢定和比測要求應用中的ADCP設備實際上是一個流量測信系統(tǒng)。為了測到流量，它同時測信流速分布、水深或水位；為了測得流速，走航式ADCP還需要同時測量船速（底跟蹤）、用羅經(jīng)測量方位、用傾斜計測量傾斜度；還需要測量水溫，以修正超聲波速，得到準確的流速、水深、水位數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)都參與了流量:計算，因此，要對ADCP進行全面的計量檢定，就必須對所測的流速、底跟蹤（船速）、水深、水位、水溫、方位角、傾斜角進行計量檢定，才能保證ADCP

7、的流速、流量計量準確度。2.2 ADCP的現(xiàn)場比測方法因為水文測驗的要求，也因為沒有規(guī)定的室內(nèi)檢定比測方法。使用ADCP的單位常應用在流量測量現(xiàn)場（天然河流或渠道中）進行比測的方法來驗證ADCP的測流性能和測得數(shù)據(jù)準確性。常使用的方法是流量比測法和流速比測法。（1）流量比測法。在流量測量斷面上，用走航式ADCP測量流量。同時用常規(guī)的可靠方法，如流速儀精測法，測量流量。經(jīng)不同水位的多個流量測量點的流量比測，以常規(guī)方法為準確值，確定AD-CP的測量準確性。走航式ADCP適用于此方法。（2）流速比測法。此方法主要適用于固定式ADCP（主要是水平ADCP）o在固定式ADCP的各測速單元處用轉(zhuǎn)子式流速儀

8、同時測量流速，以轉(zhuǎn)子式流速儀測得的點流速為準確值，和ADCP測得的此單元處的流速比較，確定ADCP的測量準確性?，F(xiàn)場比測法符合水文測驗要求，在一定程度上，也很能說明ADCP的性能。目前這是判定、研究ADCP測量準確性的很好方法。尤其是在某一場合具體應用時。但是，這種方法不符合計量檢定要求?，F(xiàn)場比測受現(xiàn)場條件影響很大，得到的結(jié)果很難有普遍的代表性。因此，希望能在實驗室環(huán)境下對ADCP進行檢定。2.3在流速儀檢定水槽中進行ADCP的流速參蟠對于流速參數(shù)，首先就想在流速儀檢定水槽中進行檢定。由于對ADCP的性能了解問題，現(xiàn)在仍有很少意見認為可以在目前的流速儀檢定水槽中進行ADCP的流速參數(shù)計量檢定，

9、但實際上是不可行的。也沒有任何檢定的實例。（1）存在問題的分析。ADCP的測速依據(jù)多普勒頻移原理，水體中必須有反射聲波的懸浮顆?；驓馀莶拍芊瓷錅y量波束，而室內(nèi)流速儀檢定水槽中的靜水既沒有懸浮顆粒也沒有氣泡，ADCP接收不到什么反射信號。而反射信號強度低于一定值時，都只會得到錯誤的單元流速值。所以就不會測得能用于計量檢定的流速數(shù)據(jù)。按試驗儀器的頻率和性能不同，水槽應有相應的尺度和聲學抗干擾結(jié)構設計。較小的水槽水體也不能用于盲區(qū)較大的聲學儀器試驗。ADCP的計量檢定應有上述的各個參數(shù)，不能認為只要能檢定一個流速參數(shù)就可以了。（2）實際試驗情況簡介。為了能證明或是了解現(xiàn)在的流速儀檢定水槽是否能檢定A

10、DCP的流速參數(shù)，近年來曾進行過多次試驗。將ADCP安裝在流速儀檢定車上，進行各個速度級的運行，ADCP都得不到、或只能得到很少量的流速數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)也很不穩(wěn)定，根本不能用于流速參數(shù)的計量檢定。筆者了解的三次試驗都不成功，不成功是必然的。但這種方法可以檢定底跟蹤（船速）參數(shù)，因為水槽底或壁是很好的“河底”。注意不要把底跟蹤（船速）參數(shù)當成了流速參數(shù)。多普勒流量計早就應用于管道流量測植，管道流量計標準規(guī)定只適用于懸浮物含量大于0.OGkg/m，的水體。在多普勒管道流量計的試驗方法中，規(guī)定了要在試驗水體中充放氣泡或懸浮物，以保證得到可靠的數(shù)據(jù)。由此也可證明，不能在很靜的清水中檢定ADCP和多普勒流速儀

11、。實際上，可以在流速儀檢定水槽中檢定聲學時差法流速儀、電磁點流速儀、電波流速儀。3目前ADCP制造商應用的流速檢測方法介紹ADCP的制造商沒有幾家，國內(nèi)應用的基本上是美國兩家公司的產(chǎn)品。除了產(chǎn)品檢驗外，制造商并不對每臺產(chǎn)品進行計量性質(zhì)的檢定，也沒有對每臺儀器進行流速測量的計笊檢定。但是，他們做過試驗性的流速計量檢定。據(jù)公布的資料，這兩家公司的流速檢測是在一個寬度為15.5m、深度為6.7m的很大、很長的靜水槽內(nèi)進行的，在水體中安放了聲波反射物。試驗進行了多次，對流速的檢測是成功的。4ADCP的檢定校準4.1流速參數(shù)檢定校準需要的條件需要檢定校準的關健參數(shù)是流速。(1) 流速計量檢定校準設備。較

12、大的直線靜水水槽可以創(chuàng)造條件來檢定ADCP的流速參數(shù)，水槽應較寬、較深。其結(jié)構應盡可能符合聲學試驗要求，要仔細考慮ADCP在檢定設備上的安裝方式。動水槽更適合檢定ADCP的流速參數(shù)，但是需要有較大的過水斷面，和相應的流速穩(wěn)定性，一般的動水槽達不到此要求。較小的動水槽適用于檢定聲學多普勒點流速儀。(2) 對水槽中水體的要求。檢定ADCP時，水槽水體中必須有一定的懸浮顆?；驓馀荩@是一般的靜水槽難以做到的，也是目前不能用流速儀檢定水槽檢定ADCP流速參數(shù)的決定性原因。4.2需要制定ADCP的檢定校準方法標準ADCP沒有進行過正式的檢定校準，也沒有正式的檢測方法或計量規(guī)程。需要制定相關的標準規(guī)范，提

13、出對ADCP的檢定校準技術要求，規(guī)定AD-CP應進行檢定校準的參數(shù)、應用的設備、方法。4.3流速參數(shù)以外的有關參數(shù)檢定校準方法除了流速參數(shù)外，ADCP還測量船速(底跟蹤)，水深、水位、水溫、方位角、傾斜角參數(shù)。要保證ADCP的流量測值準確，也應對這些參數(shù)進行檢定校準。(1) 船速(底跟蹤)?？梢栽诹魉賰x檢定水槽中進行，槽底或槽壁是很好的模擬河底。(2) 水深、水位。ADCP測量水深都應用超聲測深儀，測量水位應用超聲水位計或壓力水位計。這些參數(shù)的測試已有相應的測試方法規(guī)定。可以按規(guī)定執(zhí)行。(3) 水溫、方位角、傾斜角。這幾個參數(shù)的檢定都有相關的行業(yè)規(guī)定，按各行業(yè)的檢定規(guī)程進行檢定。5建議的ADC

14、P流速檢定校準設備5.1建造可以用于ADCP流速檢定校準的專用水槽此專用水槽基本上與流速儀檢定水槽相同。主要不同之處是：(1) 應較寬、較深，以能測到數(shù)個剖面單元流速，減少盲區(qū)影響。水槽可以稍短些。(2) 水槽設計應符合聲學水槽要求。(3) 槽內(nèi)水體中應有懸浮顆?；驓馀荽嬖?，這是最重要的。(4) 適用于ADCP檢測試驗的水下安裝結(jié)構。專用水槽的建設很難實施。5.2改造現(xiàn)有流速儀檢定水槽要使ADCP在現(xiàn)有流速儀檢定水槽中可靠地測得流速，應進行以下改造。(1) 使水體中保持懸浮顆?；驓馀?，這是必須進行的?？稍囉靡韵露N方法。在水體中撒放不溶性固體懸浮顆粒。其顆粒應較小，具體計算時應考慮ADCP的工

15、作頻率。要考慮其容重和沉降特性，使它能較長時期保持懸浮狀態(tài)。增加氣泡釋放裝置。在水槽測量段上一定長度內(nèi)的水槽底部，安裝氣泡釋放裝置(管)。檢定時放出氣泡，使ADCP能測到流速。氣泡的大小，密度要經(jīng)過一定設計計算，氣泡要釋放均勻。(2) 水槽的聲學性能改造。簡單而必要的改造措施是在水槽測髭段的槽底、槽壁上鋪設吸聲橡膠。吸聲橡膠的規(guī)格主要按聲學頻率而定。流速儀檢定水槽的水體不大，聲學環(huán)境也很差，鋪設吸聲橡膠將很有利于抗干擾和信號接收，也符合聲學儀器試驗要求。此改造應經(jīng)專門設計。(3) ADCP的水下安裝設計。ADCP的測速原理和轉(zhuǎn)子式流速儀完全不同，水流擾動、與槽體距離、各種電干擾、機械振動等都可

16、能影響其流速測量值。作為計最檢定，必須嚴格考慮各種影響。經(jīng)過上述改造，被測ADCP應該能得到較穩(wěn)定的流速測量值。加上對其它參數(shù)的檢定測試，可以對ADCP進行較完整的檢定校準。(下轉(zhuǎn)第30頁)如圖3及圖4所示，氨氮在波動中呈下降趨勢,多年均值約為0.5mg/L；高鏈酸鹽指數(shù)大致保持穩(wěn)定，監(jiān)測結(jié)果在3.6mg/L左右波動。二者秩相關系數(shù)分別為-0.5、0.1,水質(zhì)變化趨勢不顯普。3.50112001200220032004年份2005圖5氨飄年均值濃度變化及趨勢分析圖圖6高鉉酸鹽指數(shù)年均值濃度變化及趨勢分析圖5結(jié)語蘇北大運河作為南水北調(diào)東線工程主輸水干線,“十五”期間除里運河絕大部分河道及中運河部

17、分河道水質(zhì)較好，達nm類，符合輸水要求；不牢河、中運河部分河道、里運河淮安段污染嚴重，水質(zhì)為V類水左右，距離輸水要求尚有一段不小的距離。通過趨勢分析可以發(fā)現(xiàn)，“十五”期間蘇北大運河各河道水質(zhì)無明顯下降或好轉(zhuǎn)趨勢，但不牢河、中運河邳州段及里運河淮安等河道部分時段水質(zhì)仍存在不同程度的下降趨勢，需要在以后的污染防治工作中引起重視。其次,趨勢分析表明蘇北大運河年均值水質(zhì)變化趨勢與非汛期水質(zhì)變化趨勢相似，說明非汛期污染物濃度對全年水質(zhì)影響較大，有關部門在堅持不懈、持之以恒地加強污染源防治力度的同時，尤其需要強化非汛期期間污染源防治,進一步保障蘇北大運河水環(huán)境質(zhì)量的早日好轉(zhuǎn)，不折不扣地確?！耙唤逅虮绷鳌?。參考文獻1JCB3838-2OO2地表水環(huán)境質(zhì)最標準S4.3年均值蘇北大運河各河段